Evaluation of the Usefulness of Differential Diagnosis of Breast Mass using Elasticity Score and Elasticity Ratio in Elastography

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Evaluation of the Usefulness of Differential Diagnosis of Breast Mass using Elasticity Score and Elasticity Ratio in Elastography

Hyun An,

In-Chul Im,

Hyo-Yeong Lee

1

Department of Radiology, Inje University, Busan Paik Hospital

2

Department of Radiological Science, Dong-Eui University

Received: August 11, 2018. Revised: October 25, 2018. Accepted: October 31, 2018

ABSTRACT

This study evaluated the usefulness of the elasticity score and elasticity ratio in the differential diagnosis of benign and malignant lesion in breast elastography. We performed a retrospective analysis based on the results of core needle biopsy histology. The Mann-Whitney U test was used to confirm the difference between the 5-degree elasticity score and the Fisher's Exact test. ROC curve analysis was used to determine the elasticity score and the best cut-off value of the elasticity ratio for the prediction of malignant lesions. There was a statistically significant difference (p= .000) between the homogeneity of the elasticity score and the difference of the elasticity ratio between the benign and malignant lesion groups. On the ROC curve analysis, the elasticity score and the elasticity ratio for predicting benign and malignant lesion were determined as AUC 0.806, 0.824, cut-off value 3, 4.4 (p= .001). Therefore, the elasticity score and elasticity ratio may be useful in the differential diagnosis of breast mass.

Keywords: Shear Wave Elastography, Elasticity score, Elasticity ratio, Breast mass

Ⅰ . INTRODUCTION

초음파 검사는 1880년 피에르-자크 퀴리 형제 (Pierre and Jacques Curie)가 초음파의 기본 원리인 압전 효과(piezoelectric effect)를 발견하고 약 60년 후에 칼-프리드리히 두시크 형제(Karl and Friederich Dussick)가 의학적 목적의 초음파 검사를 시행하면서 시작되었다.

그 후 1953년 존 와일드 와 존 리드가 15MHz 선형 탐촉자를 만들어 7mm 크기의 유방암에 대한 실시간 영상을 얻은 것이 최 초의 유방 초음파 검사이다.

그러나 진료 목적으 로 본격적으로 유방 초음파가 시행되기 시작한 것 은 1980년대 이후로 초기에는 낭성종괴와 고형 종 괴를 구분하던 수준에 머물렀으나, 1990년대 부터 유방 초음파의 공간 해상도 및 대조도가 향상되어 작고 불분명한 유방 병변의 발견 및 진단을 할 수 있게 되었다. 또한 2003년에는 초음파 유방 영상보 고데이터체계(Breast Imaging Reporting and Data

System, BI-RADS) 초판이 발행되어 표준화된 판독 이 가능하게 되었다. 이에 머물지 않고 초음파 관 련 기술은 계속된 발전을 거듭하면서 2차원 회색조 영상에 추가로 적용할 수 있는 다양한 새로운 초음 파 영상 기법들이 개발, 연구되고 있다. 전단파 탄 성초음파는 체내에서 전단파를 발생시키는 과도펄 스(transient pulse)를 이용한 영상으로 파장 전파 속 도를 측정하여 조직 탄성도를 직접 구할 수 있다.

탐촉자에서 집속 된 초음파 빔(focused ultrasound beam)을 발생하면 생성된 음향 방사력(acoustic radiation force)로 인한 압박(acoustic wind)이 전달방 향에 있는 조직을 밀게 되고 밀린 조직은 회복력 (restoring force)으로 반응하여 조직의 횡방향으로 전파되는 기계적 진동이 생성된다. 이렇게 생성된 전단파는 적은 정도의 조직 변위를 일으키고 초음 파 장비가 이를 기록, 정량화하면 전단파 전파 속 도를 영상의 화소별로 추산하여 속도지도(speed map)를 만들고 최종적으로 속도지도에 수식을 적

* Corresponding Author: Lee Hyo Yeong E-mail: [email protected] Tel: +82-51-890-2679

용하여 탄성 지도(elasticity map, kPa)를 구현한다.

따라서 이 기법은 유방 조직 및 병변 특성에 대한 정량적 정보를 제공하며 조직 간의 크고 작은 탄성 차이를 영상으로 구현할 수 있다. 실시간 영상으로 mm 단위국소부위의 탄성 정보를 정량적으로 구현 하여 조직의 기계적 특성과 조직 탄성도의 공간적 분포 및 범위에 대한 보다 상세한 평가가 가능하고 외부 압박을 시행하지 않으므로 검사자의 숙련도 에 영향을 적게 받는다.

최근 Berg 등은 다기관 연구를 통해 전단파 탄성초음파를 추가로 시행하 였을 때 불필요한 조직검사를 줄일 수 있다고 보고 하였다.

본 논문에서는 유방 병변의 발견 및 진단 목적으 로 개발되어 실제 임상에서 2차원 회색조 영상에 추가로 적용할 수 있는 여러 유방 초음파 영상 기 법 중 전단파 탄성 초음파(Shear wave elastography) 에서 널리 이용되고 있는 탄성도 점수(elasticity score)를 이용한 방법과 두 개의 관심 영역에서 측 정된 변형비(elasticity ratio)가 유방 종괴의 양성 및 악성 평가에 유용한지를 알아보고자 한다.

Ⅱ. MATERIAL AND METHODS

1. 연구대상

2017년 1월부터 8월까지 부산 소재 P 대학병원을 내원한 환자 중 유방 초음파검사와 유방조직검사 모두를 받은 224명을 대상으로 후향적 분석을 하였 다. 총 224명의 평균 연령은 54.3±2.5세이었으며 모 두 여성이었다.

Fig. 1. Shear wave elastography and B mode images in showing stiffness.

2. 연구방법

2.1. 초음파검사 및 영상획득

유방 종괴의 영상획득에 사용된 초음파 장비는 Aixplorer ultrasound system (super sonic imagine, Aixen Provence, France)의 4~15MHz linear probe를 사용하여 영상을 획득하였다. 유방종괴의 B-mode 영상을 획득한 후 같은 탐촉자를 이용하여 실시간 도수법(real time freehand technique)으로 Fig. 1과 같 은 탄성 초음파 영상을 획득하였다. 모니터에 나타 나는 영상 Fig. 2는 아래쪽에 B-mode 초음파, 위쪽 에 탄성초음파 영상이 이중모드(dual mode)로 표시 된다. 탄성초음파 영상은 조직의 변형률 정도에 따 라 빨간색에서 파란색까지의 스케일로 표시된다.

일반적으로 가장 부드러운(softest) 조직에서는 파란 색, 가장 딱딱한(hardest) 조직은 빨간색, 중간 정도 의 조직은 초록색으로 표시된다.

Fig. 2. Classification of shear-wave elastographic results.

a. Negative result includes an elasticity score of 1 or 2 (Ecol of dark blue or light blue).

b. Equivocal result includes an elasticity score of 3 (Ecol of green to yellow). Failed elastography means poor quality image (low signal-tonoiseratio) of less diagnostic value.

c. Positive result includes an elasticity score of 4 or 5 (Ecol of orange or red). The ranges of Emax are shown for each category of Ecol. Ecol:

themaximum elasticity color, Emax: the maximum

elasticity value.

2.2. 탄성도 점수

횡파방식 탄성 초음파의 경우 0∼180kPa의 색 범 위를 사용하여 영상을 획득하고 최대탄성도 색깔 (Ecol)을 기준으로 한 5단계 분류법을 사용하여 탄 성점수를 정성적으로 평가하였다.

탄성 점수의 분류는 1점(종괴의 내부가 어두운 청색을 나타내는 경우), 2점(종괴 및 인접한 경계부에서 밝은 청색을 나타내는 경우)은 음성, 3점(종괴 및 인접한 경계부 에서 연두색 또는 노란색을 나타내는 경우)은 애매 함, 4점과 5점(종괴 및 인접한 경계부에서 주황색 또는 적색을 나타내는 경우)은 양성으로 판정한다.

2 mm 지름의 원형 정량화 도구(Q-box)를 이용하여 가장 높은 탄성도를 보이는 부분에서 탄성도값 (Emax)을 정량적으로 측정한다. 횡파방식의 탄성 초음파의 경우도 변형방식과 마찬가지로 종괴 및 인접한 경계부의 신호가 일정하지 않거나 주변 정 상 조직에 인공물이 많아 정확한 탄성도를 평가하 기 힘든 경우 실패로 구분한다.

2.3. 탄성률(elasticity ratio; Eratio)

탄성률은 2개의 관심영역(ROI)에서 측정된 탄성 률을 기준으로 측정된다. 관심영역 1개는 유방 종 괴에 위치시키고 다른 1개는 같은 깊이의 인접한 조직에 위치시킨다. 모든 탄성률의 측정은 탄성초 음파의 영상에서 측정하였다. 관심영역은 유방종괴 의 중심에 위치시켰으며 유방종괴의 경계를 벗어 나지 않게 하였다. 만약 결절 내에 석회화나 낭성 부분이 있을 경우 이를 제외한 영역에 위치시켰다.

유방종괴와 인접한 조직의 관심영역은 같은 크기 는 아니며 다른 여러 조직이 포함되지 않게 설정하 였다. 2개의 관심영역으로 이루어져 있으며, 관심 영역에서 측정된 2개의 값은 각각 A, B로 나타난 다. 변형률의 계산은 A/B로써 초음파장비에서 자동 으로 계산된다.

2.4. 통계분석

연속형 변수의 분석은 독립표본 t 검정과 빈도형 분석에는 카이제곱 검정을 시행하였다. 유방 종괴 의 조직검사 결과 양성과 악성에 따른 탄성도 점수 와의 동질성 비교는 Fisher's Exact test, 변형비와의 차이검증은 Mann-Whitney U test를 실시하였다. 탄

성도 점수와 평균 변형비의 상관관계는 Spearman's correlation 분석을 하였으며, 진단 성능 평가를 위 해 곡선하면적(area under the curve, AUC)과 최적의 cut off 값 결정을 위해 수신자 조작특성(receiver operating characteristic, ROC) 곡선 분석을 시행하였 다. 통계적 유의성은 p-value 0.05 미만인 경우를 기 준으로 판정하였으며, 모든 통계적 처리는 SPSS Statistical Software Ver. 18.0(Chicago, IL, USA)과 MedCalc Statistical Software Ver. 15.8(Ostend, Belium)을 사용하였다.

Ⅲ. RESULT

1. 대상자의 일반적 특성

초음파진단 소견을 기준으로 유방조직검사를 시 행한 대상자 224명 중 양성병변 152(67.9%)명, 악성 병변 72(32.1%)명로 나타났다. 각 군의 차이검정 결 과에서 전체 평균 연령은 47±11.8세, 양성병변 44.54±11.84세, 악성병변 51.55±10.54세로 유의한 차 이가 나타났다(p<.056). 유방 종괴의 평균 크기는 양성병변 1.29±0.72 cm, 악성병변 1.81±1.02 cm으로 나타났으며 유의한 차이를 나타냈다(p=.002).

2. 탄성도 점수와 Eratio의 분포

양성과 악성 결절에서 탄성도 점수와 Eratio의 상 관관계는 Spearman's correlation 분석결과 통계적으 로 유의하게 나타났다(Spearman's 상관계수 =0.705, p=.000). 양성과 악성병변에 따른 탄성도 점수 분포 결과는 Table 1과 같다. 탄성도 점수 1점은 총 108 명으로 양성 98명(90.7%), 악성 10명(9.3%)이었다.

탄성도 점수 2점은 총 44명으로 양성 31명(70.4%), 악성 13명(29.6%) 이었다. 탄성도 점수 3점은 총 26 명으로 양성 13명(50.0%), 악성 13명(50.0%) 이었 다. 탄성도 점수 4점은 총 9명으로 양성 2명 (22.2%), 악성 7(77.3%) 이었다. 탄성도 점수 5점은 총 37명으로 양성 8명(21.6%), 악성 29명(78.4%) 이 었으며 통계적으로 유의한 차이를 나타내었다 (p=.000).

양성과 악성 병변에 따른 Eratio와의 차이검증 결

과는 Table 2와 같다. 양성 병변의 평균은

3.947±5.82, 악성병변 평균은 10.136±7.84로 나타났 으며 통계적으로 유의한 차이를 나타내었다(p=.05).

Table 1. Comparison between benign and malignancy in elastic score system. Unit: person(%)

Score n

224

Benign 152(67.9)

Malignant

72(32.1) χ

p-value

1 108 98(90.7) 10(9.3)

74.72 .000

2 44 31(70.4) 13(29.6)

3 26 13(50.0) 13(50.0)

4 9 2(22.2) 7(77.3)

5 37 8(21.6) 29(78.4)

Table 2. Comparison between benign and malignancy in Eratio.

Variable

Benign Malignant

p-value

Mean±SD Mean±SD

Eratio 3.947±5.82 10.136±7.84 .05

1)

Statistical significance test was done by Mann-Whitney U test

3. ROC 곡선분석

Table 3은 ROC 곡선 분석 결과이다. 유방 종괴의 탄성도 점수와 Eratio를 이용하여 양성과 악성을 예 측할 수 있는 최적의 cut off값을 도출하기 위해 ROC 곡선 분석을 실시하였으며 곡선하면적, 민감 도, 특이도를 구하였다.

Table 3. Diagnostic indices between elastic score system and Eratio.

Variable Cut-off value

Sensi tivity

(%)

Specif icity (%)

AU C

95%

CI

Youden index

Elastic

score 3 68.06 84.87 0.824 0.768-

0.872 0.529

Eratio 4.4 75.00 76.32 0.806 0.748- 0.856 0.513

p-value=.001, CI: Confidence interval, AUC: Area Under the Curve

탄성도 점수의 분석결과 곡선하면적 0.824, 민감 도 68.06%, 특이도 84.87%(95% 신뢰구간 0.768∼

0.872), Youden index 0.529에서 cut off 값은 3으로 결정되었다.

Eratio의 분석결과 곡선하면적 0.806, 민감도 75.00%, 특이도 76.32%(95% 신뢰구간 0.748∼

0.856), Youden index 0.513에서 cut off 값은 4.4로 결정되었으며 통계적으로 유의하게 나타났다. 탄성 도 점수의 곡선하면적은 Eratio의 곡선하면적에 비 해 높은 것으로 나타났으며 Fig. 3과 같다.

Fig. 3 ROC curves for elasticity score and the Eratio in differentiating malignant from benign lesion.

Ⅳ. DISCUSSION

탄성 초음파는 외부 힘에 의한 조직 왜곡의 정도 를 평가하여 조직을 평가하는 새로운 기법이다.

이러한 기법은 다양한 장기에서 이용되고 있다. 특 히 유방, 갑상샘, 전립샘, 림프절 전이 등에 많이 이 용되고 있으며 목표로 한 생체 조직검사에도 효과 적이었다.

본 연구에서는 기존의 탄성 초음파에 서 널리 이용되고 있는 탄성도 점수(elasticity score) 를 이용한 방법과 두 개의 관심영역에서 측정된 탄 성비(elasticity ratio)가 유방종괴의 양성 및 악성 평 가에 유용한지를 알아보고자 한 연구였다.

탄성도 점수를 이용하여 악성을 예측하기 위한

ROC 곡선 분석에서 민감도와 특이도는 Ianculescu

등

은 80.4 %의 민감도와 73%의 특이도를 보고 하

였고, Chang 등

은 96%의 민감도와 85%의 특이도

를 보고했으며 본 연구에서는 75%의 민감도와

76%의 특이도를 나타내어 Ianculescu 등의 연구와

비슷한 결과를 나타냈다. 유방종괴의 악성을 예측

하기 위한 ROC 곡선 분석에서 Eratio 대한 최적의

cut off 값은 Berg 등

의 연구에서 Eratio는 5.0으로

보고하였으며 본 연구에서 Eratio는 4.4로 나타나

Berg 등의 연구보다 낮은 cut off 값을 나타냈다.

Barr 등

의 연구에서 strain ratio의 AUC 결과는 0.789를 나타내었으며 본 연구에서의 Eratio에 대한 AUC 결과는 0.806을 나타내어 예측모형의 타당성 을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 AUC는 탄성도 점수를 이용한 방법(0.824)이 Eratio를 이용한 방법 (0.806)보다 더 높게 나타났지만, 각각 독립적인 예 측모형으로 활용 가능할 것으로 판단된다.

본 연구의 제한점으로는 첫째, 일개병원 및 일개 지역의 환자를 대상으로 시행된 후향적 연구로써 유방조직검사의 병리학적 결과를 토대로 진행하였 다. 하지만 유방조직검사에 의해 얻어진 표본에 비 해 발생할 수 있는 오류를 배제할 수 없다. 둘째, 탄성 초음파 검사 결과에 대한 관찰자 내 (interobserver) 또는 관찰자 간(intraobserver)의 변동 성을 고려하지 못하였다. 향후 이러한 제한점을 고 려한 더 많은 연구가 필요할 것으로 생각한다.

Ⅴ. CONCLUSION

결론적으로 탄성 초음파의 탄성도 점수와 평균 변형비는 유방 종괴의 양성과 악성의 감별진단에 유용한 것으로 평가되었다. 따라서 유방 종괴의 초 음파 소견과 함께 실시간 탄성 초음파를 통한 악성 병변에 대한 예측은 불필요한 유방조직검사를 줄 이는 데 큰 도움이 될 것이다.

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탄성초음파에서 유방종괴의 감별진단을 위한 탄성도 점수와 변형비의 유용성 평가

안 현,

임인철,

이효영

1

인제대학교 부산백병원 영상의학과

2

동의대학교 방사선학과

본 연구는 유방 전단파 탄성 초음파에서 탄성도 점수와 변형비를 이용한 방법이 양성과 악성병변의 감 별진단에 유용한지를 평가하였다. 탄성 초음파를 시행한 224명을 대상으로 하였으며, 유방조직검사 결과를 바탕으로 후향적인 분석을 하였다. 유방 종괴의 양성과 악성에 따른 5단계의 탄성도 점수와의 동질성 비교 는 Fisher's Exact test, 변형비와의 차이검증은 Mann-Whitney U test를 실시하였다. ROC 곡선분석을 통해 악 성병변의 예측을 위한 탄성도 점수와 변형비의 최적 cut off 값을 결정하였다. 양성과 악성 결절 군의 분류 에 따른 탄성도 점수의 동질성 비교와 변형비의 차이검증 결과에서 각각 통계적으로 유의한 차이를 보였 으며(p=.000), ROC 곡선분석에서 양성과 악성 결절의 예측을 위한 탄성도 점수와 변형비의 AUC 0.824, 0.8 06, cut off 값 3, 4.4로 결정되었다(p=.001). 따라서 탄성도 점수와 변형비는 유방 종괴의 감별진단에 도움을 줄 수 있을 것이다.

중심단어: 전단파 탄성초음파, 유방종괴, 탄성도 점수, 변형비

성명 소속 직위

(제1저자) 안현 부산백병원 영상의학과 팀장

(공동) 임인철 동의대학교 방사선학과 교수

(교신) 이효영 동의대학교 방사선학과 교수

연구자 정보 이력